單摻與混摻纖維增強(qiáng)自密實(shí)輕骨料混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究

董健苗 王留陽(yáng) 曹嘉威 余浪 王慧敏

摘要：為了研究纖維對(duì)自密實(shí)輕骨料混凝土力學(xué)性能的影響，將不同種類（耐堿玻璃纖維、劍麻纖維和1：1耐堿玻璃一劍麻混雜纖維）及摻量的纖維加入自密實(shí)輕骨料混凝土中，并測(cè)定其7d、28d抗壓強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著纖維摻量的增加，3種纖維對(duì)自密實(shí)輕骨料混凝土抗壓強(qiáng)度的作用效果無(wú)明顯提高;劈裂抗拉強(qiáng)度呈先增大后減小的規(guī)律，且最大提升40.2%，混雜纖維、耐堿玻璃纖維、劍麻纖維最優(yōu)摻量分別為1kg/m³、1kg/m³、2kg/m³;相同摻量下，耐堿玻璃纖維、劍麻纖維、混雜纖維試塊的抗劈裂性能較對(duì)照組都有提高，摻耐堿一劍麻混雜纖維協(xié)同效果對(duì)自密實(shí)輕骨料混凝土劈裂抗拉性能指標(biāo)提高作用最佳，其次是耐堿玻璃纖維，提高幅度最小為劍麻纖維。

關(guān)鍵詞：自密實(shí)輕骨料混凝土;耐堿玻璃纖維;劍麻纖維;混雜纖維;力學(xué)性能

中圖分類號(hào)：TU528.572DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2020.01.006

0引言

自密實(shí)輕骨料混凝土（SCLC）是用輕骨料代替一般自密實(shí)混凝土中普通骨料配制成的新型高性能混凝土，其表觀密度通常小于1950kg/m³，具有高流動(dòng)度、不離析、良好的均勻性和穩(wěn)定性，澆筑時(shí)依靠其自重流動(dòng)，無(wú)需振搗而達(dá)到密實(shí)。自密實(shí)輕骨料混凝土相比普通混凝土而言具有自重較小、施工時(shí)無(wú)需要振搗等優(yōu)點(diǎn)，但其也存在韌性和抗裂性能差等通病。研究表明混凝土中加入纖維能有效阻止裂縫的產(chǎn)生與開(kāi)展，因而改善其抗裂性。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)纖維增強(qiáng)混凝土力學(xué)性能研究有很多，鋼纖維對(duì)混凝土抗拉強(qiáng)度和斷裂韌性提高效果較為明顯，但其耐堿性差、易生銹且價(jià)格較高;聚丙烯纖維能很好的調(diào)節(jié)混凝土基體內(nèi)部應(yīng)力分配，減小裂縫開(kāi)展速率，從而提高抗開(kāi)裂能力，但聚丙烯纖維存在耐熱性較差、易老化問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)外研究中，利用劍麻纖維、耐堿玻璃纖維、耐堿玻璃一劍麻纖維增強(qiáng)自密實(shí)輕骨料混凝土的科學(xué)研究鮮有涉及。耐堿玻璃纖維具有較高的拉伸強(qiáng)度、彈性模量，較好的剛性、耐化學(xué)性且資源豐富，生產(chǎn)成本較低，劍麻纖維有復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)，還具有密度小、拉伸強(qiáng)度高、物理特性及加工工藝好、來(lái)源廣泛、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。因此，劍麻纖維與耐堿玻璃纖維及兩者混雜纖維是代替鋼纖維與聚丙烯纖維較為理想的材料之一。

本文主要通過(guò)在強(qiáng)度等級(jí)為SCLC40自密實(shí)輕骨料混凝土中摻入劍麻纖維、耐堿玻璃纖維以及耐堿玻璃一劍麻混雜纖維，探索纖維種類以及摻量對(duì)纖維自密實(shí)輕骨料混凝土力學(xué)性能指標(biāo)的影響規(guī)律，并確定了耐堿玻璃纖維、劍麻纖維、混雜纖維的最佳體積摻量。

1試驗(yàn)原材料

水泥：廣西柳州魚(yú)峰集團(tuán)有限公司生產(chǎn)P·C42.5復(fù)合硅酸鹽水泥，相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1;細(xì)骨料：柳州當(dāng)?shù)厣a(chǎn)的河沙，為中砂，堆積密度為1657kg/m³，表觀密度為2600kg/m³，細(xì)度模數(shù)為2.6，級(jí)配合格;粗骨料：湖北宜昌寶珠陶粒有限公司生產(chǎn)的900級(jí)頁(yè)巖圓球形陶粒，簡(jiǎn)壓強(qiáng)度技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2;粉煤灰：其成分見(jiàn)表3;減水劑：蘇州弗克技術(shù)股份有限公司生產(chǎn)的聚羧酸高效減水劑，減水率為30%;纖維：廣西劍麻集團(tuán)生產(chǎn)的劍麻纖維和長(zhǎng)沙建材有限公司生產(chǎn)的短切耐堿玻璃纖維，相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表4.

2力學(xué)性能試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1試驗(yàn)配合比

根據(jù)《纖維混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T221-2010）和《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》（JGJ/T 283-2012）的要求配制強(qiáng)度等級(jí)為SCLC40的自密實(shí)混凝土，每立方米自密實(shí)混凝土材料的具體用量為：陶粒627kg/m³，河沙655kg/m³，水泥375kg/m³，粉煤灰125kg/m³，減水劑5.2kg/m³，其水膠比為0.36.選用耐堿玻璃纖維（以下簡(jiǎn)稱GF）和劍麻纖維（以下簡(jiǎn)稱F），纖維分別以0kg/m³、0.5kg/m³、1.0kg/m³、1.5kg/m³、2.0kg/m³、2.5kg/m³為摻加量，以劍麻纖維、耐堿玻璃纖維及耐堿玻璃一劍麻纖維1：1混雜纖維（以下簡(jiǎn)稱HF）摻入強(qiáng)度為C40的自密實(shí)輕骨料混凝土基體中，配制纖維混凝土。

2.2試驗(yàn)方法

根據(jù)GB/T 50081《普通混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》中相關(guān)要求澆筑試件，立方體抗壓強(qiáng)度因模具數(shù)量原因采用規(guī)范中允許的非標(biāo)準(zhǔn)試件，尺寸為100mm×100mm×100mm，數(shù)據(jù)為實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度值乘以尺寸換算系數(shù)0.95，劈裂抗拉強(qiáng)度試件尺寸為150mm×150mm×150mm，并且依照規(guī)定在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)7d、28d后測(cè)試立方體抗壓強(qiáng)度與劈裂抗拉強(qiáng)度。

2.3試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)以上配合比制備18組試塊，測(cè)纖維種類及摻量對(duì)自密實(shí)輕骨料混凝土抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度的影響，分析計(jì)算得到結(jié)果如表5所示，抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)及劈裂抗拉強(qiáng)度結(jié)果如圖1所示。

1）抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析

纖維自密實(shí)混凝土試塊抗壓強(qiáng)度與纖維種類及摻量關(guān)系如圖1（a）所示。

由圖1（a）可知：耐堿玻璃纖維、劍麻纖維與1：1混雜纖維的摻入對(duì)SCLC的7d、28d的抗壓力學(xué)性能指標(biāo)影響規(guī)律相同，隨著纖維摻量從0增加到2.5kg/m³，自密實(shí)輕骨料混凝土的7d抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)小幅下降、上升再下降的變化規(guī)律，28d抗壓強(qiáng)度與摻量呈負(fù)相關(guān)的規(guī)律，3種纖維自密實(shí)混凝土的7d、28d抗壓強(qiáng)度相對(duì)于普通自密實(shí)輕骨料混凝土（空白樣）的都有不同程度下降。主要原因在于：纖維摻量在0～1kg/m³范圍內(nèi)，纖維的摻入會(huì)使得自密實(shí)輕骨料混凝土機(jī)體內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，纖維摻量增加使得其與水泥基體間界面數(shù)增多，使得機(jī)體內(nèi)部薄弱環(huán)節(jié)增多，從而降低混凝土的7d、28d抗壓強(qiáng)度;纖維摻量在1～1.5kg/m³范圍內(nèi)，纖維的摻入能使纖維與混凝土內(nèi)部的粘結(jié)性能增強(qiáng)，對(duì)自密實(shí)輕骨料混凝土受壓時(shí)產(chǎn)生的橫向膨脹變形有較好的約束效果，此約束作用大于纖維摻入帶來(lái)的負(fù)面效果，從而使混凝土7d、28d抗壓強(qiáng)度得到了一定程度提高;隨著纖維摻量的繼續(xù)增大，纖維之間會(huì)發(fā)生團(tuán)聚，且過(guò)多纖維導(dǎo)致薄弱界面增多，當(dāng)薄弱界面作用優(yōu)于纖維的增強(qiáng)作用時(shí)，表現(xiàn)為自密實(shí)混凝土強(qiáng)度的降低。

從圖1（a）可以看出：相同纖維摻量時(shí)，對(duì)自密實(shí)輕骨料混凝土7d、28d抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生的負(fù)效應(yīng)最小的摻入方式為單摻1：1耐堿玻璃一劍麻混雜纖維，其次是單摻耐堿玻璃纖維，降低幅度最大的是單摻劍麻纖維。主要原因在于：劍麻纖維單絲直徑較大，在混雜纖維中充當(dāng)骨架作用，耐堿玻璃纖維較細(xì)，數(shù)量較多，能有效填充劍麻纖維的空隙，使得混雜纖維形成較好的空間上的整體性，這種空間上的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)對(duì)自密實(shí)混凝土抗壓強(qiáng)度的提高效果優(yōu)于單摻耐堿玻璃纖維與劍麻纖維。耐堿玻璃纖維單絲直徑小于劍麻纖維單絲直徑，相同摻量下耐堿玻璃纖維與自密實(shí)混凝土基體有更大的接觸面積，因此耐堿玻璃纖維的比表面積較劍麻纖維的大的多，有更大的表面能，使得與自密實(shí)輕骨料混凝土之間的粘結(jié)作用較大，粘結(jié)強(qiáng)度大制約受壓時(shí)混凝土的橫向膨脹;耐堿玻璃纖維具有較好的耐腐蝕性，在混凝土基體中能穩(wěn)定存在。另外，耐堿玻璃纖維線性膨脹系數(shù)與自密實(shí)輕骨料混凝土的接近，能與混凝土更好地協(xié)同工作，因此，相同摻量情況下耐堿玻璃纖維對(duì)自密實(shí)輕骨料混凝土7d、28d抗壓強(qiáng)度作用效果較劍麻纖維好。

2）劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果分析

纖維自密實(shí)輕骨料混凝試塊的劈裂抗拉強(qiáng)度與纖維種類及摻量的關(guān)系如圖l（b）所示。

由圖1（b）可知：3種纖維隨著纖維摻量從0增加到2.5kg/m³，自密實(shí)混凝土抗拉強(qiáng)度先呈現(xiàn)正相關(guān)后呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，但整體效果好于未摻纖維的普通自密實(shí)輕骨料混凝土;其中混雜纖維與耐堿玻璃纖維摻量為1kg/m³時(shí)對(duì)抗拉強(qiáng)度提高效果最好，相對(duì)空白組分別提高了34%、40%;劍麻纖維摻量為2.0kg/m³時(shí)對(duì)抗拉強(qiáng)度提高作用最大，相對(duì)空白組提高15%。

主要原因在于：纖維在自密實(shí)輕骨料混凝土中與基體之間形成粘結(jié)力與咬合力，因而纖維加入自密實(shí)輕骨料混凝土中能有效抑制初期裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展、減小空隙，改善基體內(nèi)部的缺陷，使混凝土基體密實(shí)度增加;在自密實(shí)輕骨料混凝土受荷載初期時(shí)基體產(chǎn)生裂縫，混凝土在裂縫處容易形成應(yīng)力集中，摻入纖維能使混凝土基體內(nèi)部開(kāi)裂應(yīng)力分布更加均勻，有效阻止裂縫擴(kuò)展，也可迫使裂縫改變方向間接消耗裂縫開(kāi)展的能量，從而提高了材料的韌性;隨著受力增加，混凝土基體與纖維之間粘結(jié)強(qiáng)度與橋連作用不足以抵抗荷載變化，此時(shí)纖維斷裂與拔出吸收了較大的能量，因此在一定范圍內(nèi)，隨著纖維摻量增加，自密實(shí)輕骨料混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度逐漸提高。纖維摻量過(guò)大，纖維之間容易發(fā)生團(tuán)聚，不均勻，容易使自密實(shí)混凝土和易性降低，且纖維摻量的增加增大了纖維的比表面積導(dǎo)致需要更多的水泥對(duì)纖維進(jìn)行握裹，纖維摻量增加使得纖維與自密實(shí)輕骨料混凝土基體之間薄弱界面增多，導(dǎo)致劈裂抗拉強(qiáng)度降低。

由圖1（b）可以看出，在相同纖維摻量下，混雜纖維試驗(yàn)組對(duì)自密實(shí)輕骨料混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度，此力學(xué)指標(biāo)呈正相關(guān)，效果最好，其次為單摻耐堿玻璃纖維，最后是單摻劍麻纖維。主要原因在于：耐堿玻璃纖維有較高拉伸彈性模量、較大的斷裂伸長(zhǎng)率，在混凝土破壞過(guò)程中，當(dāng)基體開(kāi)裂時(shí)能吸收更多的能量，因而承受更高的拉力。同時(shí)，由于相同摻量下，耐堿玻璃纖維的實(shí)際數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于劍麻纖維，使得耐堿玻璃纖維混凝土性能優(yōu)于劍麻纖維自密實(shí)混凝土;劍麻纖維屬于柔性材料，在混凝土水化初期減少原生微裂縫的效果不如耐堿玻璃纖維，但其良好的延性能提高混凝土基體的韌性;混合纖維混凝土性能優(yōu)于其他兩種的原因是能充分利用耐堿玻璃纖維與劍麻纖維的優(yōu)勢(shì)，混合纖維也進(jìn)一步完善了纖維支撐網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)論

通過(guò)試塊抗壓抗折強(qiáng)度試驗(yàn)研究了耐堿玻璃纖維和劍麻纖維摻入方式及摻量對(duì)自密實(shí)輕骨料混凝土力學(xué)性能的影響規(guī)律，并分析了增強(qiáng)機(jī)理，得到以下結(jié)論：

1）在強(qiáng)度為SCLC40自密實(shí)混凝土基體中摻入耐堿玻璃纖維、劍麻纖維及混雜纖維，未能達(dá)到提高自密實(shí)輕骨料混凝土7d、28d抗壓性能指標(biāo)的效果;隨著纖維摻量增加，對(duì)自密實(shí)輕骨料混凝土的7d抗壓性能的影響呈現(xiàn)先削弱、促進(jìn)再削弱的變化規(guī)律，28d抗壓強(qiáng)度與摻量呈負(fù)相關(guān)規(guī)律-3種纖維的摻入對(duì)自密實(shí)輕骨料混凝土抗壓強(qiáng)度提高效果不明顯，主要原因在于纖維與基體間薄弱界面效應(yīng)優(yōu)于增強(qiáng)作用。

2）隨著纖維摻量的增加，自密實(shí)混凝土抗拉強(qiáng)度先呈現(xiàn)正相關(guān)，后表現(xiàn)為負(fù)相關(guān)，整體效果好于未摻纖維的普通自密實(shí)輕骨料混凝土。其中混雜纖維與耐堿玻璃纖維的最優(yōu)摻量為1kg/m³，強(qiáng)度提高百分比分別為40.2%、33.4%，劍麻纖維最優(yōu)摻量為2kg/m³，強(qiáng)度提高15.2%。3種纖維斷裂時(shí)的吸收能量作用及纖維形成的網(wǎng)絡(luò)支撐結(jié)構(gòu)導(dǎo)致自密實(shí)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度提高效果明顯。

3）在相同纖維摻量下，混雜纖維試驗(yàn)組對(duì)自密實(shí)輕骨料混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度的力學(xué)指標(biāo)呈正相關(guān)，效果最好，其次為單摻耐堿玻璃纖維，最后是單摻劍麻纖維。混雜纖維充分發(fā)揮兩種纖維的正混雜效應(yīng)，而耐堿玻璃纖維有較高的彈性模量及斷裂伸長(zhǎng)率，因此對(duì)基體增強(qiáng)效果優(yōu)于劍麻纖維。